俯冲物质深地幔循环——地球动力学研究的一个新方向

摘要

地球上发生的各种地壳运动,大规模的火山喷发,不同深度不同规模的地震活动,规模宏大的山脉和高原的形成,以及地球历史上发生的大陆漂移运动,都被认为与板块构造活动密切相关.但这些运动的动力源究竟来自何方?如何去发现和证明它们的存在以及从理论上去认识和解释,是当今地球科学面临的巨大挑战,也是今后很长一段时间内地球科学的前沿和热点问题.近些年,人们通过各种方法,试图从更深部寻找板块作用动力学的证据.首先是地震层析研究取得了很大进展,获得了许多区域性和全球的高分辨率3-D地震地幔波速结构,使得我们得以认识地球深部的结构,探讨地幔的物质组成,流体的作用和动力学过程.证据显示,板块俯冲不仅可以到达地幔过渡带深度,而且可达到下地幔底部,堆积在核幔边界的上部,成为核幔边界产生的地幔柱的重要物质组成.其次是开展了大量的实验岩石学研究,模拟了一系列地球深部的高温高压矿物组合,被认为可能代表了地幔过渡带和下地幔的矿物组合,甚至核幔边界的含水矿物组合.另一方面,计算机模拟实验揭示了冷的大洋岩石圈发生深俯冲是可行的.尤为重要的是,许多来自地幔过渡带甚至下地幔深度的高压矿物已经在自然界陆续被发现,证明其中一些矿物是源自深俯冲的洋壳物质,记录了俯冲洋壳再循环的历史,如产在巴西、南非和加拿大等金伯利岩中的超深金刚石矿物包裹体.此外,洋岛玄武岩和大陆板内玄武岩的研究,也找到了早期俯冲下去的壳源岩石的同位素证据.近些年发现的蛇绿岩型金刚石是另一实证,其金刚石碳同位素和包裹体研究表明它们源自早期俯冲下去的壳源物质,被认为是研究俯冲物质深部再循环的一个新窗口.这些俯冲再循环的物质,被认为是通过地幔柱的活动从深部带至浅表.本文综述了地球深部物质循环的研究现状,强调了该研究的重要性,并认为俯冲物质深部循环是地球动力学研究的一个新方向.